發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的生成機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物的生成機(jī)理主要內(nèi)容：介紹了汽車尾氣中的主要污染物CO、HC、NOX和微粒的生成機(jī)理。1、一氧化碳1.1一氧化碳的生成機(jī)理汽車尾氣中CO的產(chǎn)生是由于燃油在氣缸中焚燒不充分所致，是氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。一般烴燃料的焚燒反響可經(jīng)以下過(guò)程：CmHnmO2n2mCOH22(2-1)燃?xì)庵械难踝銐驎r(shí)有2H2O22H2O(2-2)2COO22CO2(2-3)同時(shí)CO還與生成的水蒸氣作用，生成氫和二氧化碳?？梢?jiàn)，假如燃?xì)庵械难跣亟蟪浞謺r(shí)，理論上燃料焚燒后不會(huì)存在CO。但當(dāng)氧胸襟不足時(shí)，就會(huì)有部分燃料不能夠完好焚燒，而生成CO。在非分層焚燒的汽油機(jī)中，可燃混淆氣基本上是平均的，其CO排放量幾乎完好取決于可燃混淆氣的空燃比或過(guò)分空氣系數(shù)a。圖2-1所示為11種H/C比值不同樣的燃料在汽油機(jī)中焚燒后，排氣中CO的摩爾分?jǐn)?shù)xCO與或a的關(guān)系?？杖急冗^(guò)分空氣系數(shù)aa）b)圖2-1汽油機(jī)CO排放量xCO與空燃比及過(guò)分空氣系數(shù)a的關(guān)系由圖2-1能夠看出，在濃混淆氣中（a<1），CO的排放量隨a的減小而增加，這是因缺氧惹起不完好焚燒所致。在稀混淆氣中（a>1），CO的排放量都很小，只有在a=1.0～1.1時(shí)，CO的排放量才隨a有較復(fù)雜的變化。在膨脹和排氣過(guò)程中，氣缸內(nèi)壓力和溫度下降，CO氧化成CO2的過(guò)程不能夠用相應(yīng)的平衡方程精準(zhǔn)計(jì)算。受化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)影響，大概在1100K時(shí)，CO濃度凍結(jié)。汽油機(jī)起動(dòng)暖機(jī)和急加快、急減速時(shí)，CO排放比較嚴(yán)重。在柴油機(jī)的大多數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，其過(guò)分空氣系數(shù)a都在1.5～3之間，故其CO排放量要比汽油機(jī)低得多，只有在大負(fù)荷湊近冒煙界限（a=1.2～1.3）時(shí)，CO的排放量才大量增加。由于柴油機(jī)燃料與空氣混淆不平均，其焚燒空間總有局部缺氧和低溫的地方，以及反響物在焚燒區(qū)停留時(shí)間較短，不足以完好達(dá)成焚燒過(guò)程而生成CO排放，這就能夠解說(shuō)圖2-2在小負(fù)荷時(shí)只管a很大，CO排放量反而上漲。近似的情況也發(fā)生在柴油機(jī)起動(dòng)后的暖機(jī)階段和怠速工況中。過(guò)分空氣系數(shù)

a圖2-2典型的車用直噴式柴油機(jī)排放污染物量與過(guò)分空氣系數(shù)

a的關(guān)系2、碳?xì)浠衔镘囉貌裼蜋C(jī)中的未燃HC都是在缸內(nèi)的焚燒過(guò)程中產(chǎn)生并隨排氣排放。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中未燃HC的生成與排放主要有以下三種門(mén)路。（1）在氣缸內(nèi)的焚燒過(guò)程中產(chǎn)生并隨廢氣排出，此部分HC主假如焚燒過(guò)程中未焚燒或焚燒不完好的碳?xì)淙剂稀?）從焚燒室經(jīng)過(guò)活塞組與氣缸之間的空隙漏入曲軸箱的竄氣中含有大量未燃燃料，假如排入大氣中也組成HC排放物。3）從汽油機(jī)的燃油系統(tǒng)蒸發(fā)的燃油蒸汽。2.1碳?xì)浠衔锏纳蓹C(jī)理車用汽油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理車用發(fā)動(dòng)機(jī)的碳?xì)渑欧盼镏杏型旰梦捶贌娜剂?，但更多的是燃料的不完好焚燒產(chǎn)物，還有小部分由潤(rùn)滑油不完好焚燒而生成。排氣中未燃碳?xì)湮锏某煞菔謴?fù)雜，其中有些是原來(lái)燃料中不含有的成份，這是部分氧化反響所致。表2-1列出了車用汽油機(jī)中未燃碳?xì)浠衔锍煞莸拇蟾疟嚷省＼囉闷蜋C(jī)排氣中的未燃碳?xì)浠衔锍煞荼?-1占總HC排放量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%烷烴烯烴炔烴芬芳烴未裝催化妝置3327832裝有催化妝置5715216車用發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，HC的生成區(qū)主要位于氣缸壁的周圍處，故對(duì)整個(gè)氣缸容積來(lái)說(shuō)是不平均的，而且對(duì)排氣過(guò)程而言HC的散布也是不平均的。在發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，排氣中HC的濃度出現(xiàn)兩個(gè)峰值，一個(gè)出現(xiàn)在排氣門(mén)剛翻開(kāi)時(shí)的先期排氣階段，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在排氣行程結(jié)束時(shí)。HC的生成主要由火焰在壁面淬冷、狹隙效應(yīng)、潤(rùn)滑油膜的吸附和解吸、焚燒室內(nèi)聚積物的影響、體積淬熄及碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?。下面主要針?duì)汽油機(jī)分別進(jìn)行討論，但除了狹隙效應(yīng)外，其余的均合用于柴油機(jī)。1）火焰在壁面淬冷火焰淬冷的形成方式有兩種，即單壁淬冷和雙壁淬冷。前者是火焰湊近氣缸壁時(shí)，由于缸壁周邊混淆氣溫度較低，負(fù)氣缸壁面上薄薄的界限層內(nèi)的溫度降低到混淆氣自燃溫度以下，致使火焰熄滅，界限層內(nèi)的混淆氣未焚燒或未焚燒完好就直接進(jìn)入排氣而形成未燃HC，此界限層稱為淬熄層，發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其厚度在0.05～0.4mm之間改動(dòng)，在小負(fù)荷時(shí)或溫度較低時(shí)淬熄層較厚；后者是在活塞頂部平和缸壁所組成的很小的環(huán)形空隙中，火焰?zhèn)鞑贿M(jìn)去，使其中的混淆氣不能夠焚燒，在膨脹過(guò)程中逸出形成HC排放。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，淬熄層中的未燃HC在火焰前鋒面掠事后，大多數(shù)會(huì)向焚燒室中心擴(kuò)散并達(dá)成氧化反響，使未燃HC的濃度大大降低。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)、暖機(jī)和怠速等工況下，因焚燒室壁面溫度較低，形成的淬熄層較厚，同時(shí)已燃?xì)怏w溫度較低及混淆氣較濃，使后期氧化作用較弱，所以壁面火焰淬熄是此類工況下未燃HC的重要根源。2）狹隙效應(yīng)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)的焚燒室內(nèi)好像圖2-7所示的各樣狹窄的空隙，如活塞組與氣缸壁之間的空隙、火花塞中心電極與絕緣子根部周圍狹窄空間和火花塞螺紋之間的空隙、進(jìn)排氣門(mén)與氣門(mén)座面形成的密封帶狹縫、氣缸蓋墊片處的空隙等，當(dāng)空隙小到必定程度，火焰不能夠進(jìn)入便會(huì)產(chǎn)生未燃HC。在壓縮過(guò)程中，缸內(nèi)壓力上漲，未燃混淆氣擠入各空隙中，這些空隙的容積很小但擁有很大的相貌比，進(jìn)入其中的未燃混淆氣因傳熱而使溫度下降。在焚燒過(guò)程中壓力連續(xù)上漲，又有一部分未燃混淆氣進(jìn)入各空隙。當(dāng)火焰抵達(dá)空隙處時(shí)，火焰有可能傳入使空隙內(nèi)的混淆氣獲取全部或部分焚燒（在入口較大時(shí)），但也有可能火焰因淬冷而熄滅，使空隙中混淆氣不能夠焚燒。隨著膨脹過(guò)程開(kāi)始，氣缸內(nèi)壓力不斷下降。大概從壓縮上止點(diǎn)后15oCA開(kāi)始，空隙內(nèi)氣體返回氣缸內(nèi)，這時(shí)氣缸內(nèi)溫度已下降，氧的濃度也很低，流回氣缸的可燃?xì)庠傺趸谋嚷什淮螅话胍陨系奈慈糎C直接排出氣缸。狹隙效應(yīng)產(chǎn)生的HC排放可占其總量的50%～70%。圖2-7

汽油機(jī)焚燒室內(nèi)未燃

HC

的可能根源1-潤(rùn)滑油膜的吸附及解吸；

2-火花塞周邊的狹隙和死區(qū)；

3-冷激層；4-氣門(mén)座死區(qū)；5-火焰熄滅（如混平和太稀、湍流太強(qiáng)）；6-聚積物的吸附及解吸；

7-活塞環(huán)和環(huán)岸死區(qū)；

8-氣缸蓋襯墊缸孔死區(qū)3）潤(rùn)滑油膜對(duì)燃油蒸汽的吸附與解吸在進(jìn)氣過(guò)程中，氣缸壁面和活塞頂面上的潤(rùn)滑油膜溶解和吸取了進(jìn)入氣缸的可燃混淆氣中的碳?xì)浠衔镎羝敝吝_(dá)到其環(huán)境壓力下的飽和狀態(tài)，這類溶解和吸取過(guò)程在壓縮和焚燒過(guò)程中的較高壓力下連續(xù)進(jìn)行。在焚燒過(guò)程中，當(dāng)焚燒室燃?xì)庵械腍C濃度由于焚燒而下降至很低時(shí)，油膜中的HC開(kāi)始向已燃?xì)饨馕?，此過(guò)程將連續(xù)到膨脹和排氣過(guò)程。一部分解吸的燃油蒸汽與高溫的焚燒產(chǎn)物混淆并被氧化；其余部分與較低溫度的燃?xì)饣煜?，因不能夠氧化而成為HC排放源。這各樣類的HC排放與燃油在潤(rùn)滑油中的溶解度成正比。使用不同樣的燃料和潤(rùn)滑油，對(duì)HC排放的影響不同樣，使用氣體燃料則不會(huì)生成這各樣類的HC。潤(rùn)滑油溫度高升，使燃油在其中的溶解度下降，于是降低了潤(rùn)滑油在HC排放中所占的比率。由潤(rùn)滑油膜吸附和解吸機(jī)理產(chǎn)生的未燃HC排放占其總量的25%左右。4）焚燒室內(nèi)聚積物的影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，會(huì)在焚燒室壁面、活塞頂、進(jìn)排氣門(mén)上形成聚積物，進(jìn)而使HC排放增加。對(duì)使用含鉛汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)，HC排放可增加7%～20%。聚積物的作用機(jī)理可用其對(duì)可燃混淆氣的吸附及解吸作用來(lái)解說(shuō)，自然，由于聚積物的多孔性和固液多相性，生成機(jī)理更加復(fù)雜。當(dāng)聚積物聚積于空隙中，由于空隙容積的減少，可能使由于狹隙效應(yīng)而生成的HC排放量下降，但同時(shí)又由于空隙尺寸減小而可能使HC排放量增加。這類機(jī)理所生成的HC占總排放量的10%左右。5）體積淬熄

其發(fā)動(dòng)機(jī)在某些工況下，火焰前鋒面抵達(dá)焚燒室壁面以前，由于焚燒室中壓力和溫度下降太快，可能使火焰熄滅，稱為體積淬熄，這也是產(chǎn)生未燃HC的一個(gè)原因。發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)和暖機(jī)工況下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低，混淆氣不夠平均，致使焚燒變慢或不牢固，火焰易熄滅；發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速或小負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)速低、相對(duì)節(jié)余廢胸襟大，使滯燃期延伸、焚燒惡化，也易惹起熄火。更加極端的情況是發(fā)動(dòng)機(jī)的某些氣缸缺火，使未焚燒的可燃混淆氣直接排入排氣管，造成未燃HC排放急劇增加，故汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作可靠性對(duì)HC排放是至關(guān)重要的。6）碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸诎l(fā)動(dòng)機(jī)焚燒過(guò)程中未焚燒的碳?xì)浠衔?，在此后的膨脹和排氣過(guò)程中不斷從空隙容積、潤(rùn)滑油膜、聚積物和淬熄層中釋放出來(lái)，從頭擴(kuò)散到高溫的焚燒產(chǎn)物中被全部或部分氧化，稱為碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸?，包括：?）氣缸內(nèi)未燃碳?xì)浠衔锏暮笃谘趸涸谂艢忾T(mén)開(kāi)啟前，氣缸內(nèi)的焚燒溫度一般超出950oC。若此時(shí)氣缸內(nèi)有氧可供后期氧化（比方當(dāng)過(guò)分空氣系數(shù)a>1時(shí)），碳?xì)浠衔锏难趸瘜⒑芎?jiǎn)單進(jìn)行。（2）排氣管內(nèi)未燃碳?xì)涞难趸号艢忾T(mén)開(kāi)啟后，缸內(nèi)未被氧化的碳?xì)浠衔飳㈦S排氣一起排放到排氣管內(nèi)，并在排氣管內(nèi)連續(xù)氧化。其氧化條件為：①管內(nèi)有足夠的氧氣；②排氣溫度高于600°C；③停留時(shí)間大于50ms。2.車用柴油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理汽油機(jī)未燃HC的生成機(jī)理也合用于柴油機(jī)，但由于兩者的焚燒方式和所用燃料的不同，故柴油機(jī)的碳?xì)渑欧盼镉衅渥约旱奶攸c(diǎn)，柴油中的碳?xì)浠衔锉绕椭械奶細(xì)浠衔锓悬c(diǎn)要高、分子量大，柴油機(jī)的焚燒方式使油束中燃油的熱解作用難以防備，故柴油機(jī)排氣中未燃或部分氧化的HC成份比汽油機(jī)的復(fù)雜。柴油機(jī)的燃料以高壓噴入焚燒室后，直接在缸內(nèi)形成可燃混淆氣并很快焚燒，燃料在氣缸內(nèi)停留的時(shí)間較短，生成HC的相對(duì)時(shí)間也短，故其HC排放量比汽油機(jī)少。3氮氧化物3.1氮氧化物的生成機(jī)理車用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的氮氧化物NOX包括NO和NO2，其中大多數(shù)是NO，它們是N2在焚燒高溫下的產(chǎn)物。NO的生成機(jī)理從大氣中的N2生成NO的化學(xué)機(jī)理是擴(kuò)展的澤爾多維奇（Zeldovitch）機(jī)理。在化學(xué)計(jì)量混淆比（a=1）周邊致使生成NO和使其消失的主要反響式為：O2→2O2-6）O＋N2→NO＋O（2-7）N＋O2→NO＋O（2-8）N＋OH→NO＋H（2-9）反響式(2-9)主要發(fā)生在特別濃的混淆氣中，NO在火焰的前鋒面和走開(kāi)火焰的已燃?xì)庵猩伞Ｆ蜋C(jī)中的焚燒在高壓下進(jìn)行，而且焚燒過(guò)程進(jìn)行得很快，反響層很?。s0.1mm）且反響時(shí)間很短。初期焚燒產(chǎn)物遇到壓縮而溫度上漲，使得已燃?xì)怏w溫度高于剛結(jié)束焚燒的火焰帶的溫度，所以除了混淆氣很稀的地區(qū)外，大多數(shù)NO在走開(kāi)火焰帶的已燃?xì)庵邪l(fā)生，只有很少部分NO產(chǎn)生在火焰帶中。也就是說(shuō)，焚燒和NO的產(chǎn)生是互相分其余，應(yīng)主要考慮已燃?xì)怏w中NO的生成。NO的生成主要與溫度相關(guān)。圖2-8表示正辛烷與空氣的平均混淆氣在4MPa壓力低等壓焚燒時(shí)，計(jì)算獲取的焚燒生成的NO平衡摩爾分?jǐn)?shù)xNOe與溫度T及過(guò)分空氣系數(shù)a的關(guān)系。從圖2-8中能夠看出：在a>1的稀混淆氣區(qū)，NOe隨溫度的高升而快速增大；在一定的溫度下，NOe隨混淆氣的加濃而減少。當(dāng)a<1此后，由于氧不足，NOe隨a的減小而急劇下降。所以能夠得出以下結(jié)論：在稀混淆氣區(qū)NO的生成主假如溫度起作用；在濃混合氣區(qū)主假如氧濃度起作用。圖2-8中的虛線表示對(duì)應(yīng)絕熱火焰溫度下的NO平衡摩爾分?jǐn)?shù)。絕熱溫度指混淆氣焚燒后釋放的全部熱量減去因自己加熱和組成變化所耗費(fèi)的熱量而達(dá)到的溫度，它是過(guò)程中可能達(dá)到的最高焚燒溫度。一般情況下，絕熱火焰溫度在稍濃混淆氣（

a略小于

1）時(shí)達(dá)到最高值，但由于此時(shí)缺氧，故

NO

排放值不是最高，所以，

NOe最大值出現(xiàn)在稍稀的混淆氣中（a稍大于

1）中。若混淆氣過(guò)稀，火焰溫度大大下降，使

NO

排放降低。圖2-9溫度對(duì)總量化學(xué)反響N2+O2→2NO進(jìn)展快慢的影響（過(guò)分空氣系數(shù)a=1.1，壓力為10MPa）生成NO的過(guò)程中，達(dá)到NO的平衡摩爾分?jǐn)?shù)需要較長(zhǎng)時(shí)間。圖2-9表示在不同樣溫度下NO生成的總量化學(xué)反響式N2+O2→2NO的進(jìn)展快慢，用NO摩爾分?jǐn)?shù)的瞬市價(jià)NO與其平衡值NOe之比表示。從圖中能夠看出，反響溫度越低，則達(dá)到平衡摩爾分?jǐn)?shù)所需時(shí)間越長(zhǎng)，而且NO的生成反響比發(fā)動(dòng)機(jī)中的焚燒反響慢?？梢?jiàn)溫度越高，氧濃度越高，反響時(shí)間越長(zhǎng)，NO的生成量越多。所以對(duì)NO的主要控制方法就是降低最高焚燒溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中由于焚燒經(jīng)歷時(shí)間極短（只有幾毫秒），溫度的上漲和下降都很快速，故NO的生成不能達(dá)到平衡狀態(tài)，且分解所需的時(shí)間也不足，所以在膨脹過(guò)程初期反響就凍結(jié)，使NO以不平衡狀態(tài)時(shí)的濃度被排出。從燃料焚燒過(guò)程看，最初焚燒部分（火花塞周邊）產(chǎn)生的NO約占其最大濃度的50%（其中有相當(dāng)部分此后被分解）；隨后焚燒的部分所產(chǎn)生的NO濃度很小且?guī)缀醪辉俜纸?，所以NO的排放不能夠按平衡濃度的方法計(jì)算，只能由局部的焚燒溫度及其連續(xù)時(shí)間決定。2.NO2的生成機(jī)理汽油機(jī)排氣中的NO2濃度與NO的濃度比較可忽略不計(jì)，但在柴油機(jī)中NO2可占到排氣中總NOX的10%～30%。當(dāng)前對(duì)NO2生成機(jī)理的研究還不透徹，大概上認(rèn)為NO在火焰區(qū)能夠快速轉(zhuǎn)變成NO2，反響機(jī)理以下：NO＋HO2→NO2＋OH（2-10）此后NO2又經(jīng)過(guò)下述反響式轉(zhuǎn)變成NONO2＋O→NO＋O2（2-11）只有在NO2生成后，火焰被冷的空氣所激冷，NO2才能保留下來(lái)，所以汽油機(jī)長(zhǎng)久怠速會(huì)產(chǎn)生大量NO2。柴油機(jī)在小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，焚燒室中存在好多低溫地區(qū)，能夠控制NO2向NO的再轉(zhuǎn)變而使NO2的濃度增大。NO2也會(huì)在低速下在排氣管中生成，由于此時(shí)排氣在有氧條件下停留較長(zhǎng)時(shí)間。4微粒4.1微粒的生成機(jī)理1.

汽油機(jī)微粒的生成機(jī)理汽油機(jī)中的排氣微粒有三種根源：含鉛汽油中的鉛、有機(jī)微粒（包括碳煙）、來(lái)自汽油中的硫所產(chǎn)生的硫酸鹽。車用汽油機(jī)用含鉛量0.15g/L的含鉛汽油運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，微粒排放量在100～150mg/km范圍內(nèi)，其主要成分為鉛化合物，鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)占25%～60%，微粒尺寸散布為80%的直徑小于0.2μm，這類微粒是由排氣中的鉛鹽冷凝生成的。所以，以質(zhì)量計(jì)的排放量在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)較高。當(dāng)前，由于含鉛汽油的裁汰及貴金屬三效催化劑的應(yīng)用，鉛微粒自然也不再排放。硫酸鹽排放主要波及在排氣系統(tǒng)中有氧化催化劑的車用發(fā)動(dòng)機(jī)。汽油中的硫在焚燒中轉(zhuǎn)化為

SO2，被排氣系統(tǒng)中催化劑氧化成

SO3后，與水聯(lián)合生成硫酸霧。所以，汽油機(jī)硫酸鹽的排放量直接取決于汽油中的硫含量。碳煙排放只在使用很濃的混淆氣時(shí)才會(huì)遇到，對(duì)換整優(yōu)秀的汽油機(jī)不是主要問(wèn)題。其余當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)不良（比方氣缸活塞組嚴(yán)重磨損），致使?jié)櫥秃馁M(fèi)很大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生排氣冒藍(lán)煙，這是未焚燒潤(rùn)滑油微粒組成的氣溶膠。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能顯然惡化，需馬上檢修。柴油機(jī)微粒的生成機(jī)理1）排氣微粒的組成與特點(diǎn)柴油機(jī)排氣微粒由好多原生微球的齊集體而成，整體構(gòu)造為團(tuán)絮狀或鏈狀。柴油機(jī)排氣微粒的組成取決于柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，特別是排氣溫度。當(dāng)排氣溫度超出500?C時(shí)，排氣微粒基本上是好多碳質(zhì)微球的齊集體，稱為碳煙，也稱為煙粒（DS）；當(dāng)排氣溫度低于500?C時(shí)（柴油機(jī)的絕大多數(shù)工況），煙粒會(huì)吸附和凝集多種有機(jī)物，稱為有機(jī)可溶成份（SOF）。這些有機(jī)物在必定溫度下能夠揮發(fā)，而且絕大多數(shù)能溶解于必定的有機(jī)溶劑中，它在微粒中的含量變化范圍很廣，可從10%～90%，其含量決定于燃油性質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)種類及運(yùn)轉(zhuǎn)工況。假如沿柴油機(jī)的排氣管道測(cè)試取樣，可發(fā)現(xiàn)微粒粒度不斷增大，且由于排氣中的有機(jī)化合物不斷吸附冷凝在微粒上，使排氣中SOF含量增加。柴油機(jī)微粒排放包括我們平時(shí)所說(shuō)的白煙、藍(lán)煙、黑煙。其中白煙、藍(lán)煙中有較高的H/C比，其主要成份為未燃的燃料微粒，藍(lán)煙中還有竄入焚燒室的潤(rùn)滑油成份。白煙微粒直徑在1.3μm左右，平時(shí)在冷起動(dòng)和怠速工況時(shí)發(fā)生，改良起動(dòng)性能后則減少，暖機(jī)后則消失。藍(lán)煙微粒直徑較小，在0.4μm左右，平時(shí)在柴油機(jī)未完好預(yù)熱或低溫、小負(fù)荷時(shí)發(fā)生，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后消失。白煙與藍(lán)煙并無(wú)實(shí)質(zhì)差別，但是由于微粒大小不同樣，使光照顯色有異。黑煙也就是碳煙平時(shí)在大負(fù)荷時(shí)發(fā)生，擁有較低的H/C值，煙中含有比重要、顆粒細(xì)微的碳粒子，其最小單元為片晶。片晶按必定方向隨機(jī)排列聚結(jié)成碳晶粒子，其粒徑大多在50～500）×10-4μm之間。在柴油機(jī)排氣中碳晶粒子以球狀凝固物形式出現(xiàn)，其直徑由單粒的大概0.01μm到聚合物的10～30μm。微粒中的SOF成分包括各樣未燃碳?xì)浠衔?、含氧有機(jī)物（醛類、酮類、酯類、醚類、有機(jī)酸類等）和多環(huán)芳烴（PAH）及其含氧和含氮衍生物等。微粒的凝集物中還包括少量無(wú)機(jī)物如SO2、NO2和硫酸等，還有少量來(lái)自燃油和來(lái)自潤(rùn)滑油的鈣、鐵、硅、鉻、鋅、磷等元素的化合物。排氣微粒平時(shí)用溶液萃取平解析方法分紅DS和SOF兩部分。一般來(lái)說(shuō)，SOF占PT質(zhì)量的15%～30%。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷越小，SOF所占比率越大，這與溫度的影響一致。由放射性示蹤研究表示，碳煙中基本不含潤(rùn)滑油成分，后者全部進(jìn)入SOF，在不同樣機(jī)型和不同樣工況下占SOF質(zhì)量的15%～80%。燃油產(chǎn)生的物質(zhì)有80%進(jìn)入DS，20%進(jìn)入SOF。2）煙粒的生成機(jī)理柴油機(jī)排放的煙粒主要由燃油中的碳生成，并受燃油種類、燃油分子中的碳原子數(shù)及氫原子比的影響。誠(chéng)然對(duì)微粒的生成機(jī)理已進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，但到現(xiàn)在仍不很成熟。一般認(rèn)為，柴油機(jī)碳煙也是不完好焚燒產(chǎn)物，是燃料在高溫缺氧條件下經(jīng)過(guò)裂解脫氫此后的產(chǎn)物。從高溫裂解的看法出發(fā)，能夠說(shuō)碳煙微粒是在擴(kuò)散火焰中燃油較濃的焚燒區(qū)形成的。柴油機(jī)煙粒的生成和長(zhǎng)大過(guò)程一般可分為兩個(gè)階段：（1）煙粒生成階段：這是一個(gè)引誘期，時(shí)期燃料分子經(jīng)過(guò)其氧化中間產(chǎn)物或熱解產(chǎn)物萌發(fā)凝集相。在這些產(chǎn)物中有各樣不飽和的烴類，特別是乙炔及其較高階的同系物CnH2n-2和PAH，這類分子已被認(rèn)為是火焰中形成碳煙粒子最可能的先兆物。這類粒子的生成有兩種門(mén)路：其一，在高溫（2000～3500K）富油缺氧區(qū)（如在擾流擴(kuò)散火焰出現(xiàn)的噴注心部），已形成氣相的燃油分子經(jīng)過(guò)裂解和脫氫過(guò)程，經(jīng)過(guò)核化形成先期產(chǎn)物。其二，在低于1500K的低溫區(qū)（如焚燒室壁等非火焰區(qū)），則經(jīng)過(guò)聚合和冷凝過(guò)程，遲緩產(chǎn)生較大分子量的物質(zhì)，最后也生成碳煙微粒。2）煙粒長(zhǎng)大階段：包括表面生長(zhǎng)和齊集兩種形式。表面生長(zhǎng)指煙粒表面粘住來(lái)自氣相的物質(zhì)使其質(zhì)量增大，同時(shí)還發(fā)生脫氫反響，但不會(huì)改變煙粒數(shù)量。而齊集過(guò)程指經(jīng)過(guò)碰撞使煙粒長(zhǎng)大，煙粒數(shù)量減少，生成鏈狀或團(tuán)絮狀的齊集物。在柴油機(jī)中，煙粒齊集過(guò)程常與煙粒在空氣中的氧化過(guò)程同時(shí)發(fā)生，即在焚燒初期生成的碳煙微粒，在溫度高于碳反響溫度（約1000?C）的富氧區(qū)和擾流火焰出現(xiàn)的地方，在焚燒后期可能和氧混淆而完好焚燒。煙粒排放量取決于煙粒生成反響和氧化反響之間的平衡情況。關(guān)于煙粒的開(kāi)始生成，可燃混淆氣的碳氧原子比是重要的影響因素。其當(dāng)量反響式為（c、h、o分別表示C、H、O的原子數(shù)）：CcHh+0.5oO2→oCO+0.5hH2+(c-o)Cs(2-13)式中，當(dāng)c>o，即c/o>1時(shí)碳煙Cs>0，此時(shí)開(kāi)始生成煙粒。圖2-14表示碳?xì)浠衔镌诜贌鳁l件下，預(yù)混淆火焰中生成煙粒的溫度和過(guò)分空氣系數(shù)a的關(guān)系，組成柴油的各樣烴類生成煙粒的條件基本上也在這個(gè)范圍內(nèi)。由該圖可見(jiàn)，煙粒在極濃的混淆氣中生成，且在a

1600～1700K溫度范圍內(nèi)，煙粒生成比率達(dá)到最大值。圖2-14碳?xì)淙剂戏贌龝r(shí)煙粒生成的圖2-15則表示柴油機(jī)在焚燒中，生成煙粒和NOX溫度T與過(guò)分空氣系數(shù)a的關(guān)系的溫度與過(guò)分空氣系數(shù)的關(guān)系，及柴油機(jī)壓縮上止點(diǎn)附(區(qū)間內(nèi)的密度，定性表示煙粒生成比率)近各樣a的混淆氣在焚燒前后的溫度。由該圖可見(jiàn)，a<0.5的混淆氣焚燒后必定產(chǎn)生煙粒。要使柴油機(jī)焚燒后煙粒和NOX都很少，a應(yīng)在0.6～0.9之間。實(shí)質(zhì)焚燒區(qū)內(nèi)當(dāng)a>0.9時(shí)，NOX生成量增加；當(dāng)a<0.6時(shí)則煙粒生成量增加。柴油機(jī)混淆氣在預(yù)混淆焚燒中的各樣典型狀態(tài)的變化如圖2-15a）上各箭頭所示。在預(yù)混淆焚燒中，由于燃油在空氣中散布不平均，既生成煙粒，也生成NOX，只有很少部分燃油形成a=0.6～0.9的混淆氣。所以，為降低柴油機(jī)排放，應(yīng)縮短滯燃期和控制滯燃期內(nèi)噴油量，使盡可能多的混淆氣的a控制在0.6～0.9之間。柴油機(jī)擴(kuò)散焚燒中混淆氣的狀態(tài)變化如圖

2-15b）中各箭頭所示。變化路線上的數(shù)字表示燃油進(jìn)入焚燒室時(shí)所直接接觸的缸內(nèi)混淆氣的

a值。從圖上能夠看出，噴入

a<4的混淆氣區(qū)內(nèi)的燃油都會(huì)生成煙粒。在溫度彽于煙粒生成溫度的過(guò)濃混淆氣中，將生成不完好焚燒的液態(tài)HC。在擴(kuò)散焚燒階段，為減少生成的煙粒，應(yīng)防備燃油與高溫缺氧的燃?xì)饣煜?。?qiáng)烈的氣流運(yùn)動(dòng)和細(xì)微的燃油霧化，都有助于燃油與空氣的混淆平均性、增大焚燒區(qū)的實(shí)質(zhì)過(guò)分空氣系數(shù)。噴油結(jié)束后，燃?xì)馀c空氣進(jìn)一步混淆，其狀態(tài)變化趨勢(shì)如圖2-16b）上虛線箭頭所示。過(guò)分空氣系數(shù)a過(guò)分空氣系數(shù)aa）預(yù)混淆焚燒b）